刍议城市给水管网优化设计

范高哲

【摘 要】给水管网在城市建设发展中占据重要位置，直接关系到国计民生。对此，管网设计施工时必须要予以高度重视，保证供水的可靠性与优质性，采取合理的措施，最大程度的减少水资源浪费，节约成本，保证水质，提供供水保障的同时促进水资源的可持续发展。

【关键词】城市给水；管网优化设计；改造

随着社会经济迅速发展，城市化进程不断加快，城市供水系统的安全性和可靠性日益显得重要，对人们的正常生活和工作以及企业生产产生重大影响。城市给水系统主要包括三大部分，分别是取水部分、净水部分和输配管网部分，其中占据投资比例最大的就是输配管网部分，高达60%到80%，由此可见，给水管网的设计对于供水工程的实施来说有着重要的现实意义。合理的管网设计可以保证供水的安全性和经济性，从根本上节约成本，降低水资源浪费，保证城市供水工程的经济效益得到有效提高。

一、城市给水管网存在的问题

（一）自来水给水管网规划布局不科学

城市自来水给水管网设计是一项极具综合性的系统工程，涉及到很多方面的内容，需要科学的设计理念、先进的专业技术、大量的人力参与以及巨额的资金投入才能完成。我国目前在此方面还存在一定的欠缺，经验缺乏，设计理念传统，技术相对滞后，没有对给水系统进行科学的规划和布局，尤其是一些大城市的老城区表现尤为明显，无法满足眼下的城市快速发展需求。

（二）设备发展滞后

相关数据统计显示，在多数发展时间较长的城市中供水系统发展滞后现象十分明显，尤其是在一些老城区。绝大多数的管网使用时间已经超过了30年，与此同時在管道的养护与维修方面也比较欠缺，导致给水管道堵塞、漏损现象时有出现，严重时发生爆管，不仅增加管理成本，也浪费大量的水资源，造成巨大的经济损失。

（三）供水效益亟待提高

在满足用户用水需求的前提下，必须尽量降低供水成本。管网漏失水量在计算供水成本时往往被视，2013年中国城市供水总量 为396.8亿m3，漏损总量为 60.89亿m3，平均漏损率为15.35%，大于CJJ92-2002要求的漏损率平均基准值12%。其中，东北三省的平均供水产销差率大于30%。因此管网水漏失率也应是影响供水企业经济效益的最重要因素，一般采用供水产销差代替漏失量进行统计分析。供水产销差过大是长期困扰我国供水行业的一个“老大难”问题。近年来随着劳动力价格的提高，劳动力成本成为供水成本中一个不可忽视的因素。因此，在管网动态水力模型基础上建立给水管网的优化调度、优化运行和漏损控制能有效提高供水效益。

二、城市给水管网优化设计的任务和原则

我国城市给水管网系统的优化设计相关研究起步较晚，但近年来发展速度较快。总体而言，给水管网系统的优化设计经历了从单一型向复合型发展的过程，主要包括经典优化理论及应用→启发式算法研究及发展→多方法优化→地理信息系统。随着计算机辅助设计技术的出现和发展，一些新型算法不断应用于管网优化计算中，如人工神经网络法、遗传算法等，这些新技术促进了可视化技术和集成GIS的开发当前，在我国的大城市中，给水管网已经形成了大型化、复杂化和多样化的管网规模，这对建设管网和进行管网的管理而言提出了更高的要求。

（一）给水管网优化设计的任务

城市给水管网优化设计指的是在自来水厂规模和位置已经确定的环境下，通过不断分析和计算来制定成本低、能耗少、安全性高的管网设计方案。具体设计任务如下：

1.管网优化布置。

管网优化设计的基础要素就是保证合理的管网优化布局，这个环节对给水系统运行的可靠性和经济性有着重要影响。在管网的优化布置中，要注意不同类型的城市采取不同的供水方式，具体串联或并联要根据实际情况决定，同时做好加压站的设置，尽可能的降低供水系统的运行费用。

2.管径优化设计。

管径的大小与管网系统的布局和所承担的根本任务有着很大的联系，例如：生活供水、生产供水、消防供水对管径要求均不相同等。因此必须要考虑到多方面的影响因素，争取以最优管网布置为基础。

（二） 给水管网优化设计原则

1.考虑到城市近期建设和未来发展的要求。根据城市的整体规划合理确定供水管网系统的布置。

2.在设计的过程中要保证具有较强的针对性，做好用水情况调查，根据存在的实际问题选择合理的设计方案。

3.在满足眼下城市供水要求的前提下要力求成本节约、节能降耗。

4.重视对现状管道的合理、充分利用，避免大拆大建造成不必要的资源浪费。

三、城市给水管网优化设计的相关措施

（一）实施输配水管网管理方案

1.分区输水方法。供水管网主要包括输水管、配水管以及街区内管三部分，管道数量较多，相互交错，结构比较复杂，循环回流现象经常出现。对于这种问题首先要做的是明确各种管道的功能，然后实施分区输水法，按照压力、水量等采取不同的分配，建立起独立的输水干管配水区，同时规划内部结构。除此之外也要根据实际情况建立监测点，一旦发现管网出现问题要立即进行维修、改造，避免造成大的损失。

2.加强管网信息化水平。城市建设快速发展，使得城市地下供水管网愈加错综复杂，传统的人工管理方式已无法满足供水安全、经济、高效运行。供水管网系统管理应运用信息化手段进行分析、建模、管理，如采用计算机管理技术，建立管网图纸数字化数据库，对日常运营数据进行规范化管理，建立和完善高标准的管网信息化管理系统。

3.输水管应尽量避免穿越河谷、重要铁路、沼泽、工程地质不良的地段，若无法避免时，必须采取有效措施，以保证管道能够安全输水。

4.输水管线的条数（即单线或双线），应根据给水系统的重要性、输水量大小、分期建设的安排等因素，全面考虑确定。当允许间断供水或水源不只一个时，一般可以设一条输水管线；当不允许间断供水时，一般应设两条，或者设一条输水管，同时修建有相当容量的安全贮水池，以备输水管线发生故障时供水。

5.当采用两条输水管线时，为避免输水管线因某段损坏而使输水量减少过多，需要在管线之间设连通管相互联系，并装设阀门。连通管直径可以与输水管相同或比输水管小20%～30%，以保证在任何一段输水管发生事故时，仍能通过70%的设计流量。在输水管和连通管上装设必要的阀门，以缩小发生事故时的断水范围。当供水可靠性要求较低时，阀门数可以适当减少。阀门应安放在阀门井内。

6.输水管的最小坡度应大于1.5D（D为管径，以mm计）。管线坡度小于1：1000时，应每隔0.5～1km，在输水管线的最高点安装排气阀（管内无水时，能自动打开；管内有水时，能自动关闭），以便及时排除管内空气，或在辅水管放空时引入空气；在输水管线的低洼处设置泄水阀及泄水管，泄水管接至河道或地势低洼处。

7.管线埋深应考虑地面荷载情况和当地冰冻深度，防止管道被压坏或冻坏。

在输水管选线与布置时，有时上述要求难以同时满足，此时应进行技术经济比较，以确定最佳的输水管线和布置方案。

（二）配水管网设计

配水管网是将输水管线送来的水，配给城市用户的管道系统。在配水管网中，由于各管线所起的作用各不相同，因而其管径也各不相同，因此可将管线分为干管、分配管（或称配水管）、接户管（或称进户管）三类。干管的主要作用是输水至城市各用水地区，同时也为沿线用户供水，其管径均在lOOmm以上。大城市中，则在200mm以上。为简化起见，配水管网的布置和计算，通常只限于干管。分配管的主要作用是把干管输送来的水，配给接户管和消火栓。此类管线均敷设在每一条街道或工厂车间的前后道路下面，其管徑均由消防流量来确定，一般不予计算。为了满足安装消防栓所需要的管径，以免在消防时管线水压下降过多，通常规定分配管的最小管径：中小城市采用100～150mm大城市采用150～200mm。接户管就是从分配管接到用户去的管线，其管径视用户用水的多少而定。

（三）选择最优计算法

给水管网的优化设计方法，目前国内外主要有经典优化法、线性规划法、界限流量法、动态规划法、广义简约梯度法、遗传算法、优选管径法[8]，这些优化方法各有利弊，要根据具体的工程来选择。以下一有关一些重要算法的简单介绍：

1.生物进化规划和遗传算法。

随着生物工程的发展，遗传算法已经介入到工程领域，其主要在有泵管网、管网扩建与改建等课题中也开始有应用，在给水管网设计中是一种策略枚举法，以单工况，单水源的简单情况为例：第一步对工程中所限定的不同标准管径进行编码，从而不同的管径组合方案会形成不同的代码串。第二步对每一个代码串进行解码，由水利计算子程序求出该方案下管网水利特性。第三步运用遗传算法对产生的初始方案进行选择、重组，进一步产生新一代个体，然后仿照生物的进化过程演化下去，最终得到满足需要的最优个体，解码后即为该课题最优方案。

2.直接优化法。

直接优化法是对方案和方案中的一些数据进行直接的选择计算并得到最优结果。直接优化法有利有弊，优点是直观和方便，缺点是由于设计人员的能力有限，结果不尽相同，并不一定是最优解。

直接优化法主要方法是电子表格法和两厢优化法，其中，两厢优化法是针对管道埋深来说的，它基于设计流量确定后，在约束条件满足的情况下，通过选取最经济流速等来确定管径大小和最优坡度。

3.动态优化法。

动态优化法是目前市政管网设计上比较常用的优化方法，它主张将市政管网管道设计分阶段，然后再对每一阶段的管道进行优化设计。，动态优化设计主要有两个方面：一是节点埋深间隔要小，增加存储量和时间间隔。二是以管径为状态变量， 通过流速和充满度决策。

4.增设加压泵站。

在管网地面标高相差较大的区域，供水管网的优化设计也存在一定的难度。管网各部分地面标高相差过大，高程较低的地区管网内部压力会过高，导致管道损坏或者爆管现象；而高程较高的地区则会出现管网内部压力不足，无法满足实际供水需要的情况。针对此类情况，必须要实施分区供水，同时加设加压泵站及调节构筑物，进行中途加压。这样一来只需要保证二级泵站的扬程满足加压泵站附近管网的服务水压即可。在供水系统运行的过程中可以起到明显的节水作用，同时也可保证管网内部供水压力更均匀，不仅为用户提供便利，也在很大程度上降低管网的事故率。

在进行城市给水管网加压泵房选址过程中，要尽可能根据实际情况进行科学、合理的选择，因为城市给水管网加压泵房运行过程中，会产生加大的噪音，这样噪音会沿着墙柱进行一定的范围的传播，从而对周围居民的正常生活产生一定的影响。因此在进行城市给水管网加压泵房选址过程中，居住的小区最好将泵房选择在居住建筑外的动力站内，而且最好设置在一层，这样不仅可以有效缓解噪音对居民的影响，而且还能满足泵房的通风、采光和排水要求。同时，城市给水管网加压泵房的上层不要有浴室、厨房、厕所、污水处理间等。部分地区或城市对城市给水管网加压泵房有特殊的要求，如要求其距离室外化粪池、排水检查井的距离要大于15米。因此在进行城市给水管网加压泵房选址过程中，要对建筑周围的实际情况进行系统的分析，并制定与之对应的给水管网加压泵房规划与设计，从而确保后续工程的顺利进行，提高其使用效率。

4.结束语

综上所述，从目前的情况来看，我国在城市给水管网的设计方面还存在很多问题，对此，供水企业必须要加强管理，合理规划和布局，根据实际情况选择最合适的设计方案，同时做好后期的维修和养护，避免管道出现渗漏、爆裂等现象，尽可能在节省成本的同时提高经济效益，满足社会的用水需求。

参考文献：

[1]崔恩恒.自来水供水中存在的问题及建议[J].中国新技术新产品，2011（03）.

[2]潘鸿作.城市给排水工程问题的探讨[J].城市建设与商业网点，2009（11）.

[3]郑瑞文，王亚晓.论现代城市排水给水系统的规划设计[J].科协论坛，2009（06）.